أنود معدني شبه سائل في بطاريات مبتكرة

يمكن أن يساعد الأنود المبتكر في تطوير بطارية ليثيوم آمنة ذات سعة طاقة أعلى

[ترجمة د.نحماني موشيه]

نجح الباحثون في تطوير أنود يعتمد على معدن الليثيوم في شكله شبه السائل فيما يمثل نموذجا جديدا في مجال تطوير البطاريات. يمكن أن تتمتع بطاريات الليثيوم المصنوعة من هذا النوع الجديد من الأقطاب الكهربائية بقدرة أعلى وتكون أكثر أمانًا من بطاريات الليثيوم العادية. ونشر الباحثون نتائج أبحاثهم في المجلة العلمية جول.

تعد بطاريات الليثيوم من أكثر أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في المكونات الإلكترونية الحديثة، وذلك بفضل قدرتها على تخزين كميات كبيرة من الطاقة. تحتوي هذه البطاريات عادةً على إلكتروليتات سائلة قابلة للاشتعال وقطبين كهربائيين - الأنود والكاثود - يفصل بينهما غشاء. بعد أن تمر البطارية بعمليات شحن وتفريغ متكررة، قد تتكون رواسب من الليثيوم تسمى التشعبات على سطح القطب. قد تؤدي هذه الرواسب إلى ثقب الغشاء الذي يفصل بين الأقطاب الكهربائية وتسمح لها بالتفاعل مع بعضها البعض إلى حد قصور الدائرة الكهربائية، وفي أسوأ الحالات تؤدي حتى إلى التسبب في نشوب حريق. يوضح الباحث الرئيسي: "إن دمج أنود الليثيوم المعدني في البطاريات المعتمدة على أيونات الليثيوم لديه القدرة النظرية على إنشاء بطارية ذات سعة أكبر من البطارية ذات أنود الجرافيت". "ومع ذلك، فإن العامل الأكثر أهمية الذي يتعين علينا الاهتمام به هو أن البطارية التي أنشأناها ستكون آمنة."

أحد الحلول المقترحة لمشكلة الإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال المستخدمة في البطاريات اليوم هو تحويلها إلى إلكتروليتات سيراميكية صلبة. هذه الإلكتروليتات موصلة للغاية وغير قابلة للاشتعال ومستقرة بدرجة كافية بحيث لا تتشكل التشعبات. ومع ذلك، وجد الباحثون أن نقطة الاتصال بين المنحل بالكهرباء الخزفي وأنود الليثيوم الصلب ليست كافية لتخزين وتوفير كمية الطاقة المطلوبة لمعظم المكونات الإلكترونية. تمكن الباحثون من التغلب على هذه النكسة من خلال إنشاء عائلة جديدة من المواد التي يمكن استخدامها كأنود معدني شبه سائل - حيث تمكنوا من تطوير ركيزة مركبة من البوليمر / الكربون موصلة بطبقة مزدوجة تحتوي على جزيئات الليثيوم الدقيقة الموزعة بشكل موحد على طول وعرض الركيزة. في درجة حرارة الغرفة، يمكن للركيزة أن تتدفق مثل السائل، وبالتالي فهي تسمح بالاتصال الكافي مع المنحل بالكهرباء الصلب.

من خلال الجمع بين أنود المعدن شبه السائل مع إلكتروليت سيراميكي صلب يعتمد على العقيق المعدني، تمكن الباحثون من تحقيق كثافة تيار أعلى بعشر مرات من الخلايا التي تحتوي على إلكتروليت صلب مع أنود الليثيوم العادي. وكانت لهذه الخلية دورة حياة أطول بكثير من الخلايا الطبيعية. "تؤدي هذه العملية المبتكرة إلى الحصول على أنود بطارية يعتمد على معدن الليثيوم الذي يمكن أن يتدفق ويتمتع بمستويات جيدة للغاية من الأمان والأداء مقارنة بمعدن الليثيوم العادي. إن تطبيق مثل هذه المادة الجديدة يمكن أن يؤدي إلى تغيير مفاهيمي في البطاريات القابلة لإعادة الشحن المعتمدة على الليثيوم، ونحن نعمل بجد لنرى كيف سيعمل هذا النظام في مجموعة متنوعة من تصميمات البطاريات"، يوضح الباحث الرئيسي.
ويعتقد الباحثون أن طريقتهم المبتكرة يمكن أن يكون لها تأثير كبير. على سبيل المثال، يمكن استخدام النظام لإنشاء بطاريات عالية السعة للسيارات الكهربائية وبطاريات خاصة لاستخدامها في الأجهزة القابلة للارتداء والتي تتطلب بطاريات مرنة. ويعتقد الباحثون أيضًا أنه يمكن استخدام أساليبهم بخلاف معدن الليثيوم في أنظمة أخرى من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، بما في ذلك البطاريات المعتمدة على معدن الصوديوم والبوتاسيوم، والتي يمكن استخدامها لتخزين الكهرباء في أنظمة شبكة الكهرباء الوطنية.

أخبار الدراسة

ملخص المقال

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• تقدم تسلا: بلاط شمسي وبطارية توفر استهلاك الكهرباء للشقة
• الأسفلت لشحن البطاريات
• تدفقات الكهرباء